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摘要本文以电热化学发射技术为工程背景，用 FLUENT软件对等离子体射流在大气环境中的扩展特性进行模拟计算，将等离子射流的轴向扩展位移与实验值比较。对模拟数据进行分析，得出等离子体射流在大气环境中扩展的密度、温度、速度、马赫数和压力的变化特性。横向比较等离子射流的温度，入口压力和喷嘴直径的变化对等离子射流在大气中扩展的影响。研究表明，等离子射流喷入大气中，在喷嘴附近会有马赫盘的出现：一个高压区域和一个低压区域交替的存在；等离子射流会出现分叉；射流头部湍流剧烈扰动，出现破碎。27553
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毕业论文关键词 等离子射流 大气环境 电热化学发射 扩展特性
Title Numerical Simulation of the Expansion of Plasma Jetin Atmospheric Environment
Abstract This paper is based on the engineering background of electrothermal chemical launchtechnology.FLUENT software is used for simulating the expansion of plasma jet inthe atmosphere and compares the calcutated axial extended distance with theexperimental value.The density, temperature, velocity, Maher number and pressureof plasma jet in atmospheric environment is analyzed by the the simulated data.Theinfluence of the temperature , the inlet pressure and the nozzle diameter on theexpansion of the plasma jet in the atmosphere is compared.Studies have shown thatafter the plasma jet sprays into the air,the Mach disk appears in the vicinityof the nozzle ,a high-pressure area and a low-pressure area alternates,plasma jetbifurcates and jet' head breaks with severe turbulence.Keywords Plasma Jet Atmospheric Environment Electrothermal ChemicalExtended Characteristics
目 次
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要内容 4
2 物理与数学模型 5
2.1 物理模型 5
2.2 数学模型 5
3 计算过程及参数设置 7
3.1 计算区域及网格 7
3.2 fluent 参数设置 7
4 等离子射流参数分布特性 8
4.1 等离子射流轴向扩展位移与实验值的比较 8
4.2 等离子射流扩展特性 9
4.3 压力分布特性 11
4.4 速度分布特性 14
4.5 温度分布特性 18
5 多种参数变化对等离子射流扩展特性的影响 23
5.1 入口喷射压力对等离子射流特性的影响 23
5.2 等离子体入口温度对等离子体扩展特性的影响 26
5.3 等离子体喷口直径对等离子体扩展特性的影响 28
结论 32
致谢 34
参考文献 35
1 绪论1.1 课题背景等离子体定义为由正、负离子、电子、自由基和各种活性基团结合在一起的混合团体，其中有多少正电荷，就有多少负电荷，因此对外不表现电性，是独立于固体，液体和气体之外的另种形态。随着等离子体技术的快速发展，它使用的地方也越来越多，各种等离子体发生器应用于军事、航空航天、信息、冶金、喷涂、金属切割、能源、环境空间等领域中。等离子体在微观上的结构是不同于普通气体在的，普通的气体由分子或者是单个原子构成，分子和单个原子间的作用力都是短程力，只有分子剧烈运动后，克服相互之间的排斥力，发生碰撞，分子间的作用力才会发生较实际的作用。等离子体中，粒子之间是库伦力的作用。库伦力对粒子运动和碰撞有很大牵制的作用。它的作用力所产生的影响超过带电粒子概率性发生的局部碰撞所产生的影响。因此当等离子体中带有电性的粒子剧烈碰撞的时候，能使正电荷在某一个局部集中，相对应的负电荷也集中起来，产生电场。等离子射流[1-3]点火来源于电热化学发射技术[4-7]，它是一种新概念超高速发射术。电热化学发射技术主要是应用于电热化学炮。它利用电源发出的高电压、大电流，经过脉冲后形成网络状调节，使得电流脉冲的波形符合炮弹的要求，送入等离子体喷管，在电极两端之间产生电弧，从而产生等离子体射流，在等离子体中高速喷入推进剂，由于产生的等离子气体温度高，压力高，含氢量高，等离子射流和推进剂发生化学反应，生成高温高压的燃烧气体，推动炮弹从炮口射出。这其中电热化学发射技术的工作原理是：通过高功率脉冲功率源向毛细管放电，在电极间产生高温高压的等离子体，注入含能工质，以便于控制点火和增强燃烧，改善弹道的性能，使得炮弹获得与传统火炮相比无法达到的炮口速度，也有更多的优势。最主要的一个优势就是等离子体点火能够使得火炮中装载更多的发射药。对于外观一样大的火炮来说，装载更多的发射药可以很好的提高火炮的推动力，炮弹的初速也可以获得很大的提升。电热化学发射技术比电磁发射和电热发射方式需要的电能低，同时相比电热发射方式直接用电能转化为机械能有更高的效率，和传统火炮在结构上能够更好的兼容。和常规火炮的发射技术相比，电热化学发射技术的可以调节更多的参数。它可以利用调节电能输入，控制等离子体与发射药的相互作用，从而改变炮弹底部的压力，优化发射过程。电热化学炮由以下几个部分构成，等离子体发生器部分及脉冲形成网络、提供放电的电源、以及常规火炮部分，包括炮身和炮管。等离子体发生器通常采用毛细管作为射流的外壳。毛细管等离子体发生器包含以下几部分：电爆炸丝、毛细管外的绝缘体、毛细管、一对放电电极和金属壳体。等离子体发生器的原理是通过在很短时间内，利用一对放电电极对毛细管大功率的放电，毛细管内产生高温高压的等离子体，烧蚀毛细管材料、电离之后，形成高温高压的等离子体混合物，从喷口喷出形成等离子射流。这种等离子射流实现的过程和作用原理比一般等离子体要复杂很多。目前世界上大多数使用的毛细管等离子体发生器有：两间隙等离子体发生器、底喷式等离子体发生器、串并联式等离子体发生器、中心电弧式等离子体发生器。1.2 国内外研究现状电热化学发射技术相比传统的发射技术，它的一个优点就是能够通过调节放电参数，控制等离子射流发生器产生一些特性参数不同的等离子射流，从而控制内弹道的特性。而掌握这一技术的前提是熟悉和理解放电毛细管内等离子体的产生的过程以及等离子射流的性质。各国的学者对毛细管消融放电实验和理论做了很多研究。张琦、余永刚[8,9]等人实验分析了等离子在渐扩边界的液体工质中的扩散特性，并利用软件模拟，可以得到内部的详细参数变化情况和不同参数设置对扩展的影响。夏胜国[10,11]等人对聚乙烯材料的毛细管进行了能量为1kJ的电能消融放电实验, 分别讨论了毛细管尺寸大小和形状特征、主放电电容的初始放电电压等参数变化时对毛细管消融的影响。Taylor[12,13]等人采用 x 射线摄影机记录了电爆炸丝在大气环境中受到电能爆炸的过程，发现电爆炸丝在大气中电爆炸的过程是非线性变化的，在电爆炸丝爆炸时会产生球状的等离子体。 Williams[14]等人分别测量了在聚乙烯毛细管和特氟农毛细管的条件下，等离子射流对于毛细管材料烧蚀的质量。除了毛细管的材料影响，还分析了电爆炸丝的材料，电爆炸丝的形状以及脉冲能量的输入对烧蚀过程的影响。在消融控制电弧等离子体发生器[18]中，电测技术应用的难度很大。因为它的工作电压比较高、电流大，产生电磁干扰。于是消融放电的研究就可以用于粗略的计算等离子射流的一些参数特性，客观的评价等离子射流演变的一些过程。张琦、余永刚[15-17]等人利用实验研究讨论了边界形状对等离子射流的影响，同时通过实验和计算模拟了的等离子射流在圆柱形的液体中的形态。栗保明[19]等人为了抑制电弧的扩张，利用衬套材料对等离子体消融。消融控制电弧等离子体发生器需要很高的电压和电流，它的供电系统是一个功率可变的模块化电容脉冲系统。分别讨论了电容脉冲系统开始的放电电压、发生器的形状和大小和消融所使用的材料对消融控制电弧放电的一些影响。Rozanov[5]和 Ogurtsova[20]等首先提出因为消融控制电弧发生器不需要依靠烧蚀毛细管材料，因而可以控制消融材料的位置和距离，以达到控制毛细管内的的放电电弧的目的。假设放出的电能全部被利用并转化为电弧的辐射热量，就可以得到毛细管尺寸大小和放电电压大小对离子体的温度和压强的影响。随后，Niemeyer[21]、Ibrahim[22]、Kovitya 和 Lowke[23]等人将毛细管放电区域划分成两个部分，将毛细管发生器和消融控制电弧发生器联系在一起，建立毛细管两个放电区域的模型，模拟消融控制电弧放电。在两个放电区域模型中，毛细管放电形成的电弧和毛细管壁之间存在一个绝缘消融蒸汽层。毛细管放电时，绝缘消融蒸汽层和放电电弧之间虽然不导电，但是可以进行质能交换。放电电弧和绝缘消融蒸汽层是相互关联的。蒸汽层吸收一部分放电电弧以黑体辐射向外传导的辐射能，电弧辐射的其他部分烧蚀毛细管壁。相反，毛细管壁经过烧蚀，产生气态的消融材料，进入蒸汽层加热，变成等离子体，射入电弧区。以色列人 Loeb[23]和 Kaplan[23]在准稳态条件下，创建了很多分析等离子体参数的模型。透过这些模型，可以很明确的了解等离子体的参数与毛细管的几何尺寸以及通过等离子体的电流之间的关系，参数包括压强、温度、电阻、和质量密度。美国人 Gilligan[24]和Mohanti[24]提出了一个零文的非定常消融控制电弧模型。在一个零文的非定常消融控制电弧模型中包含边界绝缘蒸汽层对电弧产生类似黑体辐射吸收的管壁消融模型。法国 Jacob[25]等人提出一个利用电热炮毛细管消融控制电弧放电零文非定常模型，这样就可以整合毛细管放电和电热炮发射炮弹在弹道内的过程。利用基本的守恒方程在所有放电时间内积分，建立分析模型，得出放电能量与等离子体电阻、温度、质量以及通过等离子体的电流的关系。他们认为等离子体向毛细管壁的辐射会加热聚乙烯材料，使其分子从壁面上剥离，在电弧区内对绝缘蒸汽层加热、分解和电离。Pekker[26-28]等人建立了零文瞬态毛细管放电模型，该模型包含电阻-电感-电容回路模型，以及一个基于辐射数据库的辐射传热模型，采用自洽的方式计算过渡层热辐射。刘东尧[8,9]等人创建了放电毛细管内等离子体绝热非定常零文数学模型,该数学模型考虑了金属引爆丝在放电过程中电阻的变化、毛细管材料被烧蚀、电离的具体过程及等离子体在非理想气体的情况下的一些性质。
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